第1章 传感器的特性

第1章检测技术1.检测技术概述2传感器的组成及基本特性检测技术概述：检测技术是自动化学科的重要组成部分，是以现代自动化系统中的应用为主要目的，围绕参数测量和测量信号分析等信息获取处理技术进行研究开发与应用的综合性学科。为了监督和控制某个生产过程或运动对象的状态，掌握其发展规律，使它们处于所选工况的最佳状态或使该过程（对象）在我们的控制之中。就必须掌握他们特性的各种参数。这就要求我们检测这些参数的大小、变化趋势、变化速度等。通常，把含有检查、测量和测试等比较宽广意义的参数叫做检测。为了实现参数检测组建的系统或者装置叫做测控系统或检测装置。检测装置是测控系统的最前端，通过获取被测对象信号并进行处理，然后将有用信息输出给自动控制系统或者操作者；这些参数的获取需要以传感器检测作为基础。为了测量各种微观或宏观的物理、化学或生物等参数量值；为了检验产品质量，为了进行计量标准的传递和控制，也需要传感器检测技术作为基础。随着科学技术的迅速发展，特别是微电子、计算机和通讯技术的发展，以及新材料、新工艺的不断涌现，使得检测技术在建立检测理论的基础上不断向着数字化、网络化和智能化的方向发展。如何提高检测装置的分辨率、准确度、稳定性和可靠性，研究新的检测方向，开发现代化的测控系统是本门课程研究的方向。测控系统的基本任务是获取有用的信息，尤其是从干扰中提取出有用信息，这就需要利用传感器对信号进行获取。测控系统是采用专门的传感器、测量仪器或测量系统，通过合理的实验与信号处理及分析方法，由测的的信号求取与研究对象有关信息量值，并将结果输出与显示的过程。在现代化装备和制造业中，检测及测量测试的工作已经占据首要位置。它是保证整个生产过程达到性能指标和正常工作的重要手段。在现今新的工业革命（第四次）即将到来，传感器检测技术显得尤为重要2.传感器的组成及分类

2.1传感器的组成传感器的定义（我国对传感器的定义标准）是能够感受和响应规定的被测量（非电量或电量），并按一定规律将其转换成有用输出的期间或装置，特别是完成非电量到电量的转换。定义中包含了三部分：①传感器是一个测量装置，能够完成检测任务；②在规定的条件下感受被测量，如物理量，化学量或生物量；③按一定规律转换成易传输的电信号。传感器的组成，并无严格的规定。一般说来，可以把传感器看作由敏感元件（有时又称为预变换器）和变换元件（有时又称为变换器）两部分组成，见图1.1。图1.1传感器的一般组成1.敏感元件在具体实现非电量到电量间的变换时，并非所有的非电量都能利用现有的技术手段直接变换为电量，而必须进行预变换，即先将待测的非电量变为易于转换成电量的另一种非电量。这种能完成预变换的器件称之为敏感元件。2.变换器能将感受到的非电量变换为电量的器件称为变换器。例如，可以将位移量直接变换为电容、电阻及电感的电容变换器、电阻及电感变换器；能直接把温度变换为电势的热电偶变换器。显然，变换器是传感器不可缺少的重要组成部分。在实际情况中,由于有一些敏感元件直接就可以输出变换后的电信号,而一些传感器又不包括敏感元件在内,故常常无法将敏感元件与变换器严格加以区别。传感器输入信号主要是被测的物理量（如长度、力）等时,必然还会有一些难以避免的干扰信号（如温度、电磁信号）等混入。严格地说,传感器的输出信号可能为上述各种输入信号的复杂函数。就传感器设计来说,希望尽可能做到输出信号仅仅是（或分别是）某一被测信号的确定性单值函数,且最好呈线性关系。对使用者来说,则要选择合适的传感器及相应的电路,保证整个测量设备的输出信号能惟一、正确地反映某一被测量的大小,而对其它干扰信号能加以抑制或对不良影响能设法加以修正。传感器可以做得很简单,也可以做得很复杂；可以是无源的网络,也可以是有源的系统；可以是带反馈的闭环系统,也可以是不带反馈的开环系统；一般情况下只具有变换的功能,但也可能包含变换后信号的处理及传输电路甚至包括微处理器CPU。因此,传感器的组成将随不同情况而异。2.2传感器的分类用于测量和控制的传感器种类繁多，其分类方法很多,国内外尚无统一的分类方法。同一个被测量，可以用不同种类的传感器，如温度测量可以用热电偶测量，可以用热电阻测量，还可以用光纤传感器测量等；同一原理的传感器，又可以用于多种非电量测量。一般按如下几种方法进行分类。1.按输入被测量分类这种方法是根据输入物理量的性质进行分类。表1.1给出了传感器输入的基本被测量和由此派生的其它量。表1.1传感器输入被测量

2.按工作原理分类 这种分类方法以传感器的工作原理作为分类依据,见表1.2。表1.2传感器按工作原理的分类3.按输出信号形式分类这种分类方法是根据传感器输出信号的不同来进行分类,见表1.3。表1.3传感器按输出信号形式的分类论述题试述传感器的作用、性能及分类（15分）1、传感器在感受被测量变化的同时，将输入的被测非电量转换为与之成单值（或线性）函数关系的电量输出，以便于用电测仪表测出非电量的大小。（1分）2、传感器的性能及分析如下：1）触点传感器：触点传感器是把被测量直接或间接转换成触点的闭合或断开状态的传感器。它能把模拟量转换为开关量，用于信号、保护、分组和多级测量系统中。（1分）2）干簧管传感器：干簧管有两种驱动方式：一为永磁铁，二为电磁线圈。前者多用于检测，后者多用于控制。它可以应用在行程测量、采样控制盒巡回检测系统中。（1分）3）电位传感器：被测量的变化导致电位器阻值变化的元件成为电位传感器。它具有结构简单，价格便宜，可靠性较高，输出功率大灯优点。（1分）4）电阻应变传感器：电阻应变传感器是将被测的应力（压力、荷重、扭力等）通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的检测元件（1分）5)热电阻传感器：利用电阻随温度变化的特性制成的传感器称为热电阻传感器。可用于温度测量与控制、温度补偿、稳压稳幅、自动增益调整、气压测定、气体和液体分析、过载报警、过负荷保护和红外探测等。（1分）6）气敏电阻传感器：将检测到气体（特别是可燃气体）的成分、浓度等转换成电信号的传感器叫做气敏电阻传感器。它可检测乙醚、乙醇、氢气、一氧化碳以及碳链较长的烷烃（如正乙烃）等。（1分）7）电感传感器：将电感量的变化转换成电压或电流的信号，在进行放大的传感器叫做电感传感器。它可用来测量位移、压力、振动等参数。电感传感器既可用于静态测量、又可用于动态测量。（1分）8）涡流传感器：涡流传感器可在金属体上产生涡流，其渗透深度与传感器线圈激励电流的频率有关，它分为高频反射和低频透射两种。（1分）9）压磁传感器：压磁传感器是利用铁磁材料的弹性效应，将被测力转换成电信号的传感器。可用来测量轧钢机的轧制力、钢带的张力、纸张的张力、切削力、卷扬机的定量自动提升、自动称重等。（1分）10）电容传感器：它用于位移、振动、角度、加速度、压力、料位、成分含量等地精密测量等。（1分）11）光电传感器：光电传感器使将光信号转换为电信号的一种传感器。光电传感器具有结构简单，非接触，高可靠性，高精度和反应迅速等优点。（1分）12）磁电传感器：利用导体和磁场发生相对运动而产生电动势的原理而制成的检测装置叫做磁电传感器。磁电传感器灵敏度高，可用来测量振动、加速度、转速、转角等参数，可也检测热处理后的零件硬度、渗层深度、淬硬层深度等。（1分）13）压电传感器：利用某些物质具有压电效应的原理而制成的检测装置叫做压电传感器。主要用来测量动态的力、压力、加速度等。（1分）14）霍尔传感器：霍尔传感器应用较为广泛。（1分）霍尔传感器：霍尔传感器是利用霍尔效应原理实现磁电转换，从而将被测量转换为电动势的传感器。霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小等优点。广泛用于电流、磁场、位移、压力、转速等物理量的测量。角度式编码器：角度式编码器分为绝对式编码器和增量式编码器。是测量角度位置和位移的最直接有效的方法。光栅传感器：光栅传感器主要用于长度和角度的精密测量以及数控系统的位置检测等。在坐标式测量仪和数控机床的伺服系统中有广泛应用。感应同步器：主要用于测量位移以及与之相关的物理量。它具有测量精度高，受环境影响小，使用寿命长，维护简便，抗干扰能力强，工艺性好，成本低等优点。被广泛应用于大型机床和中型机床的定位、数控和数显等。CCD传感器：CCD固体图像传感